一种快速自修复聚氨酯介电弹性体的制备方法技术

本发明专利技术公开一种快速自修复聚氨酯介电弹性体的制备方法，所述材料是将PTMEG作为软段，脂环族IPDI结合扩链剂胱胺作为硬段，通过预聚和扩链两步法获得的高性能聚氨酯介电弹性体。本发明专利技术通过在弹性体中引入二硫键，同时赋予弹性体动态性和低模量特性。相较于目前存在的低修复效率的自修复聚氨酯弹性体，该弹性体在室温下具有超快的愈合性能以及高效的自修复效率，同时具有高介电性能和力学性能。由于优异的综合性能，使得其在驱动器和柔性电子等领域具有巨大的应用潜力。另外，材料整个制备过程简单，工艺易于掌握，生产成本低，容易实现大批量生产。量生产。量生产。

【技术实现步骤摘要】
一种快速自修复聚氨酯介电弹性体的制备方法


[0001]本专利技术属于自修复介电弹性体材料领域，具体涉及一种快速自修复聚氨酯介电弹性体的制备方法，可应用于驱动器和柔性电子等领域。

技术介绍

[0002]介电弹性体驱动器由于其机械顺应性、快速响应和高效能量转化特性受到了极大关注，广泛应用于软体机器人、触觉显示和光学变焦系统等领域。作为其中的关键组件，介电弹性体常常面临高机械应力环境，因此容易遭受不可逆损伤。在这种情况下，赋予介电弹性体优异的自修复性能不仅能够延长驱动器服役时间，还会增强其可靠性和损伤耐受性，降低设备失效的概率。近年来，自愈合弹性体在驱动器应用中获得了一定的研究进展。通过可逆共价键(DA键、酯交换、二硫键等)和非共价键(氢键、偶极相互作用、配位键、离子键等)可以诱导弹性体损伤部位的自我修复。例如，Sun等(Chem.Eng.J.2020,384,123242.)报道了一种可愈合的有机硅橡胶介电弹性体，该弹性体通过氢键和离子键组装成超分子网络，在80℃下处理5小时后，拉伸强度和驱动应变可以完全恢复。Ellingford等(ACS Appl.Mater.Interfaces 2020,12,7595
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7604.)在室温条件下通过一步点击反应制备得到3
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巯基丙酸甲基(M3M)接枝的聚(苯乙烯
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丁二烯
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苯乙烯)(SBS)弹性体。由于M3M的质子与苯乙烯的芳香烃中心之间的静电相互作用，接枝弹性体在机械损伤后击穿场强可恢复到初始值的44％。Duan等合成了一种自愈合聚二甲基硅氧烷弹性体，引入不同含量聚苯胺得到介电层和电极层，实现了介电弹性体驱动器的整体愈合，其愈合条件为室温下48小时。如上所述，具备自修复功能的介电弹性体驱动器的设计理念已经取得了很大的进步，但愈合温度、愈合时间和快速愈合效率还有待进一步提高。
[0003]由于具备结构灵活可调的特点，聚氨酯作为弹性体一直活跃在电子皮肤、形状记忆、聚合物电解质甚至可持续发展等领域。许多工作(Adv.Mater.2018,30,1706846；ACS Appl.Mater.Interfaces 2021,13,1463
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1473；Macromolecules 2020,53,1024
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1032.)也能够证实聚氨酯在实现室温快速愈合和超高愈合效率方面有巨大的潜力。然而，邻近硬段之间的多级氢键往往导致聚氨酯较高的模量。因此，将聚氨酯弹性体的模量降低到1～2MPa左右，不仅可以降低机械刚度，同时还可以保持较低的机械损耗，从而有利于其在驱动器领域的应用。
[0004]目前有关自修复聚氨酯介电弹性体的专利并不多见，而利用二硫键在聚氨酯中构建动态相互作用以获得快速愈合能力的介电弹性体材料更是未见报道。

技术实现思路

[0005]鉴于现有技术的不足，本专利技术的目的在于探寻一种快速自修复聚氨酯介电弹性体的制备方法，通过在聚氨酯弹性体主链中引入脂肪族二硫化物形成动态二硫键，实现自修复性能的明显提升，并同时获得良好的力学性能和介电性能。
[0006]本专利技术采用的技术方案如下：
[0007]一种快速自修复聚氨酯介电弹性体材料，所述材料的主要原料包括羟基封端的低分子量聚醚、脂环族二异氰酸酯和脂肪族双氨基扩链剂。
[0008]优选地，所述羟基封端的低分子量聚醚为数均分子量850～2000g/mol的聚四氢呋喃PTMEG。
[0009]优选地，所述脂环族二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯IPDI。
[0010]优选地，所述脂肪族双氨基扩链剂为胱胺。
[0011]优选地，所述脂肪族双氨基扩链剂的前驱物为胱胺二盐酸盐。
[0012]优选地，所述主要原料的摩尔百分比为：PTMEG 15～35％；IPDI 50％；扩链剂15～35％。
[0013]本专利技术提供一种快速自修复聚氨酯介电弹性体的制备方法，包括如下步骤：
[0014]步骤1
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原料干燥：将PTMEG在100～130℃真空烘箱中充分干燥，去除多余的水分；
[0015]步骤2
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扩链剂制备：将胱胺二盐酸盐和超纯水按质量比1：5～20配置成溶液，加入氢氧化钾并机械搅拌，用二氯甲烷萃取后得到的有机混合溶液加入无水硫酸镁去除水分，过滤并去除二氯甲烷后得到浅黄色液体，最后加入溶剂备用；
[0016]步骤3
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预聚：将IPDI首先分散在溶剂中，加入二月桂酸二丁基锡，然后逐滴滴加到PTMEG中，在氮气气氛，40～80℃条件下反应1～6小时；
[0017]步骤4
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扩链：预聚物冷却至10～35℃后，逐滴滴加扩链剂，同时升温至40～70℃，继续搅拌1～6小时，得到均匀分散的溶液；
[0018]步骤5
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成型：将步骤(4)中的溶液放入50～80℃真空烘箱干燥，去除溶剂，得到目标产品。
[0019]优选地，所述制备方法中溶剂为N,N
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二甲基甲酰胺、N,N
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二甲基乙酰胺或者四氢呋喃中的任意一种。
[0020]相比于现有技术，本专利技术产生的有益效果是：
[0021]本专利技术通过预聚以及扩链两步反应将二硫键引入到聚氨酯主链中，同时赋予弹性体动态性和低模量特性。相较于目前存在的低修复效率的自修复聚氨酯弹性体，该弹性体在室温下具有超快的愈合性能以及高效的自修复效率，同时具有高介电性能和力学性能。由于优异的综合性能，使得其在驱动器和柔性电子等领域具有巨大的应用潜力。
[0022]相比于现有技术，本专利技术的优点主要体现在以下几个方面：
[0023]1)相比于目前使用最普遍的多级氢键等强交联作用，二硫键因为其复分解特性不仅赋予了弹性体快速的室温自修复性能，而且其动态性结合扩链剂的脂肪族特性显著降低了弹性体的弹性模量，从而在介电弹性体驱动器领域显示出巨大的应用优势。
[0024]2)本专利技术制备的快速自修复聚氨酯介电弹性体具有1～3MPa的弹性模量、8～12的高介电常数、0.05～0.2的低介电损耗及室温处理1～6小时具有90％以上自修复效率的特点，其综合性能优于目前大多数自修复介电弹性体。
[0025]3)本专利技术使用简单的方法合成得到聚氨酯弹性体，有制备过程简单，工艺易于掌握，生产成本低，容易实现大批量生产的特点。因此，本专利容易实施，不需要高昂的投资；
附图说明：
[0026]图1为聚氨酯弹性体的合成工艺路线图。
[0027]图2为实施例和对比例1的介电、力学性能和自修复效率对比。
具体实施方式
[0028]下面给出具体实施例以对本专利技术的技术方案作进一步说明。但是值得说明的是以下实施例不能理解为对本专利技术保护范围的限制，该领域的技术熟练人员根据上述本专利技术的内容，对本专利技术作一些非本质性的改进和调整仍属于本专利技术的保护范围。
[0029]本专利技术中试样的合成工艺路线本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种快速自修复聚氨酯介电弹性体的制备方法，其特征在于，所述材料的主要原料包括羟基封端的低分子量聚醚、脂环族二异氰酸酯和脂肪族双氨基扩链剂。2.根据权利要求1所述的快速自修复聚氨酯介电弹性体，其特征在于，所述羟基封端的低分子量聚醚为数均分子量850～2000g/mol的聚四氢呋喃PTMEG。3.根据权利要求1所述的快速自修复聚氨酯介电弹性体，其特征在于，所述脂环族二异氰酸酯为异佛尔酮二异氰酸酯IPDI。4.根据权利要求1所述的快速自修复聚氨酯介电弹性体，其特征在于，所述脂肪族双氨基扩链剂为胱胺。5.根据权利要求1或4所述的快速自修复聚氨酯介电弹性体，其特征在于，所述脂肪族双氨基扩链剂的前驱物为胱胺二盐酸盐。6.根据权利要求1所述的快速自修复聚氨酯介电弹性体，其特征在于，所述主要原料的摩尔百分比为：PTMEG 15～35％；IPDI 50％；扩链剂15～35％。7.一种制备权利要求1～6任一项所述的快速自修复聚氨酯介电弹性体的方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1
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原料干燥：将PT...

【专利技术属性】
技术研发人员：雷军，聂闰盼，李忠明，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：